Способ получения литого сплава в режиме горения

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литых сплавов на основе кобальта, которые могут быть использованы в авиационной промышленности для конструктивного упрочнения бандажных полок в лопатках газотурбинных двигателей. Предложен способ литого сплава в режиме горения. Способ включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид молибдена, алюминий, углерод, оксид хрома III, оксид ниобия, оксид вольфрама и оксид кобальта, помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму с размещенным между исходной смесью и стенкой формы функциональным слоем из оксида алюминия толщиной 5-10 мм, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 30-50 g с последующим отделением литого сплава на основе кобальта от продукта синтеза, при этом исходную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид молибдена 1,1-1,8, алюминий 20,0-23,5, углерод 2,2-2,8, оксид хрома III 15,0-19,0, оксид ниобия 13,0-16,0, оксид вольфрама 1,0-2,8, оксид кобальта 35,0-45,0. Технический результат - получение литого жаропрочного сплава на основе кобальта в режиме горения с требуемым химическим составом, с температурой его эксплуатации до 1000°С. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения жаростойких сплавов на основе кобальта, которые могут быть использованы в области авиационного двигателестроения для получения защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинного двигателя (ГТД).

Известен способ получения многокомпонентного сплава на основе кобальта марки ХТН-61 путем плавления компонентов сплава: Со, Cr, Nb, W, Mo, Al, С в вакуумной индукционной печи (ТУ 88.061.007-98).

Недостатком известного способа является сложность получения сплава ХТН-61 с заданным воспроизводимым химическим составом, т.к. наблюдается неконтролируемая потеря легирующих элементов, большое содержание неметаллических включений, ликвации по химическому составу и структуре, необходимость использования дорогостоящих металлических легирующих компонентов, невысокая производительность и большие энергозатраты.

Выход годного сплава при выплавке в вакуумной индукционной печи не превышает 50%, при этом способ позволяет получать литые образцы только небольших размеров, требует предварительного получения исходных компонентов и использования сложных установок.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является способ получения тугоплавких неорганических материалов, в том числе литых твердых сплавов, например сплава из смеси оксида титана IV, оксида молибдена VI, оксида никеля II, алюминия и графита, размещения смеси в тугоплавкой форме, инициирование экзотермической реакции путем локального воспламенения и последующего горения указанной смеси под воздействием центробежного ускорения до 1500 g. (SU 617485, 30.07.78 г.) В этом способе исходную смесь помещают в тугоплавкую цилиндрическую форму, размещают ее на центрифуге, воспламеняют смесь вольфрамовой электрической спиралью и сжигают при установившемся вращении под воздействием перегрузки. После окончания процесса горения продукт синтеза охлаждают и извлекают. Продукт синтеза представляет собой литой образец, разделенный на два слоя: нижний - многокомпонентный сплав Ti-Mo-C-Ni, верхний - литой твердый оксидный раствор на основе оксида алюминия (корунда). Недостатками известного способа являются невозможность получения жаропрочного сплава на основе кобальта и низкое качество получаемого сплава, в котором содержание примеси свободного углерода и остаточного алюминия составляют не менее 3%.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка новой технологии получения литого жаропрочного сплава на основе кобальта, легированного тугоплавкими элементами с требуемым химическим составом, эксплуатация которого возможна при температуре до 1000°С, повышение производительности и выхода целевого продукта, снижение энергозатрат, содержания примесей и ликвации по химическому составу и структуре, обеспечивающими получение защитного высокотемпературного износостойкого покрытия на бандажных полках лопаток ГТД.

Технический результат достигается тем, что способ получения литого твердого сплава, преимущественно на основе кобальта, включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид молибдена, алюминий и углерод, помещение ее в тугоплавкую форму, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении, при этом в исходную смесь дополнительно вводят оксид хрома III, оксид ниобия, оксид вольфрама и оксид кобальта, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид молибдена	1,1-1,8
Алюминий	20,0-23,5
Углерод	2,2-2,8
Оксид хрома III	15,0-19,0
Оксид ниобия	13,0-16,0
Оксид вольфрама	1,0-2,8
Оксид кобальта	35,0-45,0

синтез проводят при центробежном ускорении 30-50 g, а между исходной смесью и стенкой формы размещают функциональный слой толщиной 5-10 мм, состоящий из оксида алюминия. При этом в качестве углерода используют графит.

Продукт синтеза представляет собой слиток, который состоит из двух слоев: нижний - жаропрочный сплав на основе кобальта (Со-Cr-Nb-W-Mo-Al-С), соответствующий ТУ 311-2003, и верхний - литой оксидный материал Al₂O₃ (корунд), слои отделяют друг от друга и используют по назначению. Сплав Co-Cr-Nb-W-Mo-Al-C используют для получения защитных покрытий на бандажных полках лопаток ГТД, а литой оксидный материал Al₂О₃ - для изготовления абразивных инструментов.

Размещаемый между исходной смесью и внутренней поверхностью графитовой формы функциональный слой толщиной 5-10 мм из оксида алюминия исключает контакт расплава целевого продукта с материалом формы и снижает скорость охлаждения расплава, выполнял функцию теплоизоляционного слоя. В целом наличие функционального слоя приводит к увеличению времени "жизни" расплава, что позволяет достигать высокую полноту фазоразделения при перегрузках 30-50 g, упростить конструкцию центрифуги и проводить синтез на больших массах исходных смесей.

Заявляемая в формуле совокупность признаков позволяет получать литой жаропрочный многокомпонентный сплав на основе кобальта, который используется для получения жаростойких износостойких покрытий на бандажных полках лопаток ГТД и ГТУ.

Сущность способа поясняется примерами.

Пример 1.

Готовят реакционную смесь исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид хрома III 15,0; оксид ниобия 14,4; оксид вольфрама 1,0; оксид молибдена 1,8; алюминий 20,0; углерод 2,8; оксид кобальта - остальное.

Предварительно в графитовую форму устанавливают тонкостенный цилиндр из цветного металла или плотной бумаги с зазором от его стенки до внутренней поверхности графитовой формы 5 мм. Готовую смесь засыпают в цилиндр, a Al₂O₃ засыпают в зазор между цилиндром и формой. Цилиндр извлекают, а снаряженную форму из реакционной смеси и функционального слоя толщиной 5 мм помещают в центробежную установку. Ротор центрифуги приводят во вращение и создают перегрузку 30 g, после чего реакционную смесь воспламеняют электрической спиралью.

После завершения процесса горения продукт синтеза охлаждают и извлекают из реакционной формы. Продукт синтеза состоит из двух слоев: нижний - литой жаропрочный твердый сплав на основе кобальта (Co-Cr-Nb-W-Mo-Al-C), соответствующий ТУ 311-2003, и верхний - литой оксидный материал Al₂О₃ (корунд). Слои легко отделяются друг от друга.

Содержание элементов в целевом продукте составляет мас.%:

Cr - 19, Nb - 15, W - 2,7, Mo - 1,9, Al - 0,9, С - 1,95, Со - остальное.

Содержание примесей в сплаве менее 0,1%.

Примеры осуществления способа представлены в таблице 1. Свойства целевого материала по примерам представлены в таблице 2.

Как видно из представленных данных, сплав содержит не более 0,1% примесей, в сплаве отсутствуют ликвационные неоднородности, выход его составляет 95-98%, стойкость сплава при эксплуатации составляет 1000°С. Сплаву присвоен технологический термин ХТН-61-(СВС-Ц).

Способ получения обладает высокой безопасностью, не требует больших затрат электроэнергии, экологически чист за счет отсутствия в продуктах синтеза газообразных продуктов, технологичен, т.к. графитовая форма используется многократно, а низкий уровень перегрузки позволяет использовать более простые конструкции центрифуг с высокой производительностью.

Таблица 2
№ примера	Характеристики слитков целевого продукта ХТН-61-(СВС-Ц)
Содержание примесей, мас.%	Выход годного сплава по химическому составу, %	Наличие ликваций
1	0,1	95	Отсутствует
2	0,05	98	Отсутствует
3	0,07	95	Отсутствует

1. Способ получения литого сплава в режиме горения, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид молибдена, алюминий, углерод, оксид хрома III, оксид ниобия, оксид вольфрама и оксид кобальта, помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму с размещенным между исходной смесью и стенкой формы функциональным слоем из оксида алюминия толщиной 5-10 мм, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 30-50 g с последующим отделением литого сплава на основе кобальта от продукта синтеза, при этом исходную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид молибдена	1,1-1,8
Алюминий	20,0-23,5
Углерод	2,2-2,8
Оксид хрома III	15,0-19,0
Оксид ниобия	13,0-16,0
Оксид вольфрама	1,0-2,8
Оксид кобальта	35,0-45,0

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углерода в реакционной смеси используют графит.